1.7.5. Валентность, степень окисления

Пример 1. Составьте формулу оксида хрома (III). В ответе укажите общее число атомов в молекуле оксида.

Решение. В оксиде хрома (III) хром проявляет валентность, равную трем, а кислород – двум. Руководствуемся правилом, что сумма единиц валентности атомов хрома равна сумме единиц валентности атомов кислорода. Для того, чтобы осуществилось равенство валентностей, нужно включить в формулу два атома хрома и три атома кислорода, то есть формула оксида – Сr₂O_3. В этом случае и атомы хрома и атомы кислорода имеют по 2·3 = 6 единиц валентности.

Общее число атомов в молекуле данного оксида равно 2 + 3 = 5.

Ответ: 5.

Пример 2. Определите степень окисления хрома в соединении H₂Cr₂O₇.

Решение. Учитывая, что степень окисления водорода обычно ровна +1, а кислорода –2, а также помня, что сумма степеней окисления всех атомов в молекуле равна нулю, обозначив искомую степень окисления хрома х, найдем:

2·1 + 2 х + 7 (-2) = 0,

х = +6.

Степень окисления хрома в соединении равна + 6.

Ответ: 6.

46. Учитывая, что максимальная валентность элемента, как правило, совпадает с номером группы, в которой расположен данный элемент в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, установите общую формулу высших оксидов элементов шестой группы. В ответе укажите общее число атомов в молекуле оксида.

47. Учитывая, что степень окисления кислорода равна –2, водорода +1, а также зная степени окисления некоторых других элементов, определите степень окисления марганца в следующих соединениях:

1) MnO₂, 2) Mn(OH)₂, 4) K₂MnO₄, 8) Mn₂O₃,

16) HMnO_4,, 36) СаMnO₄.

В ответе укажите сумму условных номеров, под которыми расположены соединения, содержащие марганец с одинаковой степенью окисления.

48. Учитывая, что степень окисления кислорода равна –2, водорода +1, а также зная степени окисления некоторых других элементов, определите степень окисления серы в следующих соединениях:

1) SO₂, 2) H₂S, 4) H₂S₂O₃, 8) K₂SO₄, 16) H₂SO₄ , 36) S.

В ответе укажите сумму условных номеров, под которыми расположены формулы соединений, содержащих серу с максимальной степенью окисления.

49. Под каким номером расположено соединение, содержащее хром c максимальной степенью окисления:

1) Cr₂(CO₃)₃, 2) K₂Cr₂O₇ , 3) Сr₂O₃, 4) NaCrO₂?

1.7.6. Расчеты по химическим формулам

Пример 1. Найдите количественный состав серной кислоты, определив значения массовых долей каждого из элементов. В ответе укажите значение массовой доли кислорода (в %), округлив до целого числа.

Решение. Одним из способов выражения количественного состава вещества является нахождение значений массовых долей каждого из элементов в данном веществе.

Учитывая, что в состав молекулы Н₂SO₄ входят два атома элемента водорода, один атом элемента серы и четыре атома элемента кислорода (известные значения числа атомов каждого элемента в молекуле вещества – еще один способ выражения количественного состава вещества), найдем значение относительной молекулярной массы серной кислоты Mr(Н₂SO₄).

Мr(Н₂SO₄) = 2Аr(Н) + Аr(S) + 4Аr(O) =2·1 + 32 + 4 · 16 = 98.

Молярная масса серной кислоты будет, соответственно, равна

М(Н₂SO₄) = 98 г/моль.

Таким образом, в серной кислоте, количеством вещества 1 моль и массой 98 г, содержится элемент водород, количеством вещества 2 моль атомов и массой 2 г, элемент сера, количеством вещества 1 моль атомов и массой 32 г и элемент кислород, количеством вещества 4 моль атомов и общей массой 64 г.

Количественный состав вещества можно задать различными способами. Например, отношением масс элементов в веществе или отношением количеств каждого из элементов в молях, содержащихся в веществе, количеством один моль.

Помня, что массовая доля какого-либо компонента в системе представляет собой отношение массы данного компонента к массе всей системы, запишем:

Найдем значение массовой доли:

а) водорода

ω(Н) = m(H) / m(H₂SO₄) = 2 / 98 = 0,0204 или 2,04 %,

б) серы

ω(S) = m(S)/m(H₂SO₄) = 32/98 = 0,3265 или 32,65 %,

в) кислорода

ω(О) = m(O)/m(H₂SO₄) = 64/98 = 0,6531 или 65,31 %.

Если в веществе, состоящем из нескольких элементов, известно содержание всех элементов, кроме одного, то для нахождения последнего удобнее вычесть из 100 % суммарное содержание остальных элементов.

Так, содержание кислорода можно найти следующим образом:

ω(O) = 100 – (2,04 + 32,65) = 65,31 %.

Количественный состав серной кислоты:

ω(Н) = 2,04 %; ω(S) = 32,65 %; ω(O) = 65,31 %.

Округленное до целого числа значение массовой доли кислорода равно 65.

Ответ: 65.

Пример 2. Руда содержит пирит (FeS₂) и примеси, не содержащие железо. Чему равна масса элемента железа, содержащаяся в 1 т руды, если значение массовой доли пирита в руде равно 90%?

Решение. Найдем массу чистого вещества (FeS₂), исключив массу примесей.

m (FeS₂) = m_руды ∙ ω =1000 кг · 0,9= 900 кг.

Значение относительной молекулярной массы FeS₂ определяется как сумма соответствующих относительных атомных масс:

Мr(FeS₂) = Аr(Fе) + 2Аr(S) = 56+ 2·32 = 120 а.е.м.

Значение молярной массы равно:

М(FeS₂) = 120 г/моль.

Найдем количество вещества FeS₂:

ν (FeS₂) = m(FeS₂) / M(FeS₂) = 900 кг/120 кг/кмоль = 7,5 кмоль.

Учитывая, что один моль FeS₂ содержит 1 моль атомов Fе, то в 7,5 кмоль молекул FeS₂ содержится, соответственно, 7,5 кмоль атомов железа.

ν (Fe) = 7,5 кмоль.

И, наконец, зная количество вещества железа, можно найти массу железа:

M(Fe) = ν(Fe) · M(Fe) = 7,5 кмоль · 56 кг/кмоль = 420 кг.

В массе руды, равной 1 т, содержится элемент железо массой 420 кг.

Ответ: 420.

Пример 3. Выведите истинную формулу соединения, имеющего следующий количественный состав: ω(H) : ω(O) = 5,88 % : 94,12 %. Значение молярной массы вещества равно 34. В ответе укажите общее число атомов в молекуле этого соединения.

Решение. Так как символы элементов известны, то задача сводится к нахождению индексов при них. Формула соединения будет иметь вид:

H_xO_y , где x = ν(H) и у = ν(О).

Для нахождения количества вещества (в молях) атомов водорода и кислорода (х и у), содержащихся в одном моле молекул Н_xО_y, примем условно массу вещества равной 100 г. В этом случае, массы элементов водорода и кислорода в соединении будут равны:

m(H) = 5,88 г и m(О) = 94,12 г.

Разделив значение массы элемента на значение соответствующей молярной массы элемента, перейдем к молярному отношению:

Так как состав вещества выражается отношением целых чисел, то, разделив полученные десятичные числа на наименьшее, получим соотношение между индексами при символах элементов:

x : у = 5,88/5,88 : 5,88/5,88 = 1 : 1, т.е.

ν (Н) : ν (О) = 1 : 1.

Полученная формула соединения имеет вид: НО. Однако, это простейшая формула. Учитывая, что значение молярной массы такого соединения М(НО) = 1 + 16 = 17 в 2 раза меньше значения приведенной в условии молярной массы (М = 34), то найденные значения х и у следует удвоить. Истинная формула будет иметь вид Н₂О_2. Общее число атомов в молекуле этого соединения равно 4.

Ответ: 4.

50. Химическая формула кремниевой кислоты H₂SiO₃. Выразите количественный состав ее молекулы различными способами. В ответе укажите значение массовой доли элемента кремния (в %), округлив до целого числа.

51. Вычислите массу железа в тоннах, которую можно получить из оксида железа Fe₂O₃ массой 20 т. Ответ округлите до целого числа.

52. Химическая формула ортофосфорной кислоты H₃РO₄. Выразите количественный состав ее молекулы различными способами. В ответе укажите значение массовой доли фосфора (в %), округлив до целого числа.

53. Вычислите массовую долю (в %) каждого из элементов в нитрате аммония NH₄NO₃.

В ответе укажите значение массовой доли элемента азота (в %).

54. Вычислите количественный состав следующих веществ, определив массовую долю каждого из элементов (в %):

а) сероводород H₂S, б) оксид серы (IV) SO_2, в) сернистая кислота H₂SO₃, г) сульфат меди CuSO₄.

В каком из соединений массовая доля серы максимальна? В ответе укажите найденное максимальное значение массовой доли серы (в %), округлив до целого числа.

55. Количественный состав некоторого вещества выражается отношением: m(Ca) : m(C) : m(O) = 10 : 3 : 12. Выразите количественный состав этого вещества в процентах. В ответе укажите значение массовой доли кальция (в %).

56. Вещество состоит из атомов элементов углерода, водорода и кислорода. Количественный состав его выражается отношением: m(С) : m(H) : m(O) = 18 : 3 : 8. Найдите простейшую формулу вещества. В ответе укажите общее число атомов в найденной формуле.

57. В состав вещества входят 32,8 % Na; 12,9 % Al и 54,3 % F. Найдите простейшую формулу вещества. В ответе укажите общее число атомов в найденной формуле.

58. Массовые доли углерода и водорода, входящих в состав вещества, соответственно равны 90,56 % и 9,44 %. Относительная молекулярная масса вещества равна 106. Найдите истинную формулу вещества. В ответе укажите общее число атомов в найденной формуле.

59. Чему равна масса элемента алюминия в граммах, содержащегося в гидроксиде алюминия Al(OH)₃ массой 156 г?

60. При окислении железа массой 5 г был израсходован кислород массой 2,143 г. Установите простейшую формулу образовавшегося соединения и его количественный состав. Чему равно значение массовой доли (в %) элемента железа в полученном соединении?

61. Вещество состоит из калия, хлора и кислорода. При разложении этого вещества массой 1,02 г был получен хлорид калия массой 0,62 г и кислород. Выведите простейшую формулу этого вещества. В ответе укажите общее число атомов в найденной формуле.

62. Найдите простейшую формулу вещества, количественный состав которого выражается следующим соотношением:

ω(Fe) : ω(О) = 70 % : 30 % . В ответе укажите соответствующие ей значение относительной молекулярной массы.

63. Найти простейшую формулу оксида ванадия, зная, что в его массе, равной 2,73 г, содержится элемент ванадий массой 1,53 г. В ответе укажите соответствующее простейшей формуле значение относительной молекулярной массы.

64. Найдите простейшую формулу вещества, количественный состав которого выражается следующим соотношением: ω(S) : ω(О) = 50 % : 50 %. В ответе укажите соответствующее этой формуле значение относительной молекулярной массы.

65. Найдите простейшую формулу вещества, количественный состав которого выражается следующим соотношением:

ω(Ti) : ω(О) = 60 % : 40 %. В ответе укажите соответствующее этой формуле значение относительной молекулярной массы соединения.

66. Массовые доли натрия, серы и кислорода, входящих в состав вещества соответственно равны 29,1 %, 40,6 % и 30,3 %. Найдите простейшую формулу вещества. В ответе укажите общее число атомов в формуле этого вещества.

67. Количественный состав вещества выражается отношением: m(As) : m(O) = 25 : 8. Установите простейшую формулу вещества. В ответе напишите арабской цифрой значение валентности мышьяка в этом соединении.

68. Массовые доли натрия, углерода и кислорода в некотором веществе, соответственно, равны: 43,4%, 11,3% и 45,3%. Установите простейшую формулу вещества. В ответе укажите соответствующее ей значение относительной молекулярной массы.

69. Массовые доли натрия и серы, входящих в состав вещества, составляют, соответственно, 59% и 41%. Найдите простейшую формулу вещества. В ответе укажите общее число атомов в формуле этого вещества.

70. Чему равна масса в граммах питьевой соды NaHCO₃, содержащая элемент углерод массой 30 г?

71. Чему равна масса в граммах медного купороса CuSO₄·5H₂O, содержащая элемент медь массой 32 г?

72. Чему равна масса в граммах тригидрата нитрата меди (II) Cu(NO₃)₂·3H₂O, содержащая безводную соль массой 470 г?

73. Найдите истинную формулу углеводорода, количественный состав которого выражается следующим соотношением: ω(C) : ω(H) = = 80% : 20%. Относительная плотность паров этого вещества по водороду*равна 15. В ответе укажите общее число атомов в молекуле этого вещества.

74. Количественный состав некоторого органического соединения выражается следующим отношением: m (H) : m (C) : m (O) = 1 : 6 : 16. Относительная плотность паров этого вещества по водороду равна D(H₂)* = 23. Чему равно общее число атомов в молекуле этого вещества?

75. Относительная плотность вещества по водороду* равна 22. Массовая доля углерода в нем равна – 54,55%, водорода – 9,09%, кислорода – 36,36%. Укажите общее число атомов водорода в молекуле этого вещества.

76. Установите истинную формулу вещества, массовая доля углерода в котором равна 24,24%, водорода – 4,04%, хлора – 71,72%. Относительная плотность паров этого вещества по водороду* равна 49,5. В ответе укажите общее число атомов в молекуле вещества.

77. Массовая доля фосфора в одном из его оксидов равна 43,7%. Относительная плотность паров этого вещества по воздуху равна 9,8. Установите истинную формулу оксида. В ответе укажите общее число атомов в молекуле оксида.

* См. главу 3.2 «Законы стехиометрии»